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CC54Z - Hidrologia
Evaporação e evapotranspiração
Prof. Fernando Andrade
Curitiba, 2014
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
• Definir os conceitos básicos da
evaporação e evapotranspiração
• Definir as variáveis meteorológicas que
influenciam na evapotranspiração
• Calcular a evaporação em lagos e
reservatórios
• Aprender a medição e cálculo de
evaporação e de evapotranspiração
Objetivos da aula
2
Conceitos fundamentais da evaporação e da
evapotranspiração
Definições gerais
• Evaporação: processo pelo qual se transfere água do solo e das massas líquidas para a atmosfera. No caso da água no planeta Terra ela ocorre nos oceanos, lagos, rios e solo
• Transpiração: processo de evaporação que ocorre através da superfície das plantas. A taxa de transpiração é função dos estômatos, da profundidade radicular e do tipo de vegetação
• Evapotranspiração: processo simultâneo de transferência de água para a atmosfera através da evaporação e da transpiração
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Evaporação
• Evaporação ocorre quando o estado líquido da água é transformado de líquido para gasoso
• As moléculas de água estão em constante movimento, tanto no estado líquido como gasoso
• Na interface entre a água e atmosfera, algumas moléculas da água líquida tem energia suficiente para romper a barreira da superfície, entrando na atmosfera, enquanto algumas moléculas de água na forma de vapor do ar retornam ao líquido, fazendo o caminho inverso
• Quando a quantidade de moléculas que deixam a superfície é maior do que a que retorna está ocorrendo a evaporação
5
Balanço de energia e
evaporação
Calor latente de evaporação, l (MJ/kg)
6 Ts002361,0501,2 l
[2]
Condições para ocorrer a
evaporação
• A água líquida deve receber energia para
prover o calor latente de evaporação. Esta
energia pode ser recebida por radiação ou
por convecção
• O ar acima da superfície líquida não deve
estar saturado de vapor de água (pois se o
ar estiver saturado será impossível a
transformação de água líquida em vapor)
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Variáveis meteorológicas
• As principais variáveis meteorológicas que
influenciam a evaporação são:
• Temperatura
• Umidade do ar
• Radiação solar
• Velocidade do vento
• Tipo do solo, tipo da vegetação, tamanho
do espelho de água, etc.
8
Temperatura
• Quanto maior a
temperatura,
maior é a
concentração de
saturação do
vapor de água no
ar. Isto é, maior é
a capacidade do
ar de receber
vapor
9
Umidade do ar
• Umidade relativa: medida do conteúdo de vapor de água do ar em relação ao conteúdo de vapor que o ar teria se estivesse saturado
onde w é a massa de vapor pela massa de ar e ws é a massa de vapor pela massa de ar no ponto de saturação
10
sw
w.100UR
Radiação solar
• A intensidade da evaporação depende da disponibilidade de energia fornecida pela radiação solar
• Regiões mais próximas ao Equador recebem maior radiação solar e apresentam maiores taxas de evapotranspiração
• Em dias de céu nublado a radiação solar é refletida pelas nuvens e não chega a superfície, reduzindo a energia disponível para a evapotranspiração [1,2,3]
11
Intensidade do vento
• O vento renova o ar em contato com a superfície que está evaporando (superfície da água, superfície do solo ,superfície da folha da planta)
• Os ventos intensos possibilitam uma rápida transferência de vapor para regiões mais altas da atmosfera
• Desta forma a umidade próxima à superfície será menor, aumentando a taxa de evaporação
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Medição e cálculo de evaporação e de
evapotranspiração
Medição de evaporação
• A evaporação é medida de forma semelhante à precipitação e a infiltração, ou seja, utilizando unidades de comprimento para caracterizar a lâmina evaporada ao longo de um determinado intervalo de tempo (i.e., mm/h, mm/ano, etc.)
• A forma mais comum de medir a evaporação é mediante o uso de um Tanque Classe A
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Tanque Classe A
• Tanque circular com diâmetro de cerca de
121 cm e profundidade de 25,5 cm.
Construído em aço ou ferro galvanizado,
pintado na cor alumínio e instalado numa
plataforma de madeira a 15 cm da superfície
do solo. Deve permanecer com água
variando entre 5,0 e 7,5 cm da borda superior
• A medição de evaporação no Tanque Classe
A é realizada diariamente numa régua, ou
ponta linimétrica, instalada dentro do tanque
15
Tanque Classe A
16
Evaporação em lagos e
reservatórios
• A criação de um reservatório cria uma grande
superfície líquida que disponibiliza água para
evaporação (aumenta o potencial de
evaporação), que pode ser considerado
como uma perda de água e de energia
• A evaporação da água de reservatórios pode
ser significativa, ao ponto de modificar o
rendimento de reservatórios para
abastecimento, irrigação e geração de
energia
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Evaporação em lagos e
reservatórios
• A evaporação da água em reservatórios
pode ser estimada a partir de medições de
Tanques Classe A
• É necessário aplicar um coeficiente de
redução em relação às medições de
tanque
onde Ft é um fator de redução que varia
de 0,6 a 0,8 18
tquelago FEE tan
Sobradinho: um rio de
água para a atmosfera
• O reservatório de Sobradinho no rio São Francisco possui uma área superficial de 4.214 km2, sendo o maior lago artificial do mundo, localizado numa das regiões mais secas do Brasil
• Em consequência disso, a evaporação direta deste reservatório é estimada em 200 m3/s, o que corresponde a cerca de 10% da vazão regularizada do rio São Francisco
19
Lago de Sobradinho
4
Exemplo 1
• Um rio cuja vazão média é de 34 m3/s foi
represado por uma barragem para
geração de energia elétrica. A área
superficial do lago criado é de 5000 ha.
Medições de evaporação de um tanque
classe A correspondem a 1500 mm por
ano. Calcule a nova vazão média a
jusante da barragem após a formação do
lago.
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Evapotranspiração
• Potencial: é a evaporação do solo somada a transpiração das plantas máxima que pode ser transferida para atmosfera (é obtida com base em condições climáticas idealizadas)
• Real: é a evaporação do solo somada a transpiração das plantas que ocorre de acordo com a disponibilidade hídrica existente e as características das plantas em uma dada região
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Medição de
evapotranspiração
• Lisímetro: tanques enterrados, abertos na parte superior, preenchidos com o solo e a vegetação características dos quais se deseja medir a evapotranspiração
• A evapotranspiração é calculada pelo balanço hídrico do lisímetro
E=P-Qs-Qb-DV • Os valores de precipitação (P), escoamento
superficial e subterrâneo (Qs e Qb) e o armazenamento de água (DV) são medidos diariamente
23
Lisímetro
24
Balanço hídrico
• A evapotranspiração também pode ser
calculada considerando valores médios de
escoamento e precipitação de um período
muito longo
P=Q+E
• Estimativas somente podem ser realizadas
considerando o intervalo de tempo anual
ou maior
25
Exemplo 2
• Uma bacia de 10 km2 recebe anualmente
1600 mm de chuva e a vazão média anual
corresponde a 700 mm. Considerando
solo impermeável, estime a evaporação
anual em mm e m3/s usando o balanço.
Calcule o coeficiente de escoamento
dessa bacia.
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Cálculo da
evapotranspiração
• A evapotranspiração também pode ser calculada por uma série de equações disponíveis na literatura, baseadas em temperatura, radiação e umidade
• As equações são de natureza empírica e de base física (baseada em balanço de energia)
• As duas equações mais utilizadas são a equação de Thornthwaite e de Penman-Monteith
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Equação de Thornthwaite
onde E é a evapotranspiração mensal em mm , T é a temperatura média do mês de interesse em graus Celcius, a é um parâmetro que depende da região e I é um índice de temperatura em função da temperatura dos j meses
28
a
I
TE
1016
12
1
514.1
5j
jTI
49239.010792.11071.71075.6 22537 IIIa
Exemplo 3
• Calcule a evapotranspiração potencial mensal com a equação de Thornthwaite para o mês de agosto de 2006 em Porto Alegre onde as temperaturas médias mensais são dadas na tabela ao lado
29
Equação de Penman -
Monteith
30
W
a
s
a
dspAL
r
r
r
eecGR
El
D
D
1
1
água da específica massa a é ][kg.m
ar do específica massa a é ][kg.m
solo o para energia de fluxo o é ]s.[MJ.m
superfície na líquida radiação a é ]s.[MJ.m
vapordo saturação de pressão da variaçãode taxaa é ]C[kPa.
ão vaporizaçde latentecalor o é ][MJ.kg
água da evaporação de taxaa é ][m.s
3-
3-
1-2-
1-2-
1-
1-
-1
W
A
L
G
R
E
l
D
caaerodinâmi aresistênci a é ]s.m[
vegetaçãoda lsuperficia aresistênci a é ]s.m[
0,66)( icapsicrométr constante a é ]C[kPa.
vapordo pressão a é ][kPa
vapordo saturação de pressão a é ][kPa
úmidoar do específicocalor o é ]C.[MJ.kg C
1-
1-
1-
-1-1
p
a
s
s
s
r
r
e
e
Equação de Penman -
Monteith
31
• UR é a umidade relativa do ar;
• PA é a pressão atmosférica (kPa);
• T é a temperatura do ar a 2 m da superfície (oC)
• um,10 é a velocidade do vento a 10m de altura
• z0 é a rugosidade da superfície (1/10 da altura média da vegetação)
Referências bibliográficas
[1] VILLELLA, S. M., MATTOS, A.. Hidrologia aplicada. São Paulo. Editora McGraw Hill do Brasil, 1975
[2] TUCCI, C. E. M.. Hidrologia: ciência e aplicação. Porto Alegre. Editora da Universidade, 4 ed. 2009
[3] PINTO, N. et al.. Hidrologia básica. São Paulo. Editora Edgard Blucher, 1976
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